管道外防腐补口技术发展和趋势

那骥宇，赫连建峰，李爱贵，刘金霞，徐翠竹，孔宪刚

中国石油集团工程技术研究院，天津300451

管道外防腐补口技术发展和趋势

那骥宇，赫连建峰，李爱贵，刘金霞，徐翠竹，孔宪刚

中国石油集团工程技术研究院，天津300451

补口是管道腐蚀控制系统的关键节点和薄弱环节，补口技术的发展一直伴随着管体防腐技术的进步，同时还需满足现场涂装施工的应用要求。回顾了在不同历史时期管道外防腐补口技术的代表类型及发展历程，介绍了当前补口技术的现状特点及应用情况，展望了未来补口技术的创新趋势及改进需求，建议在选择补口材料和技术方式时应进行详尽的管道腐蚀环境调查，充分考虑补口的施工条件和应用环境，以及补口防腐层与管体防腐层的相容性；在材料的研发、结构的设计、性能的检验、质量的控制等方面均应对相关补口形式的现场施工性能予以关注并明确要求，从而为补口质量的全面提升提供保障。

补口；热收缩材料；液体聚氨酯；液体环氧；黏弹体

补口是指对管道连接区域进行涂装，从而实现该区域腐蚀防护的技术操作。管道补口一般是在现场完成，受作业环境和施工条件制约，相对于在现代化预制工厂中生产的管体防腐层，补口防腐层的质量受不确定因素影响较大，使补口成为管道腐蚀控制系统的薄弱环节[1]。补口防腐层的选用一般遵循与管体防腐层“一致性”的原则，即应选择与管体防腐层相同或相近，具有良好相容性的防腐材料及产品[2]。

1 管道外防腐补口技术的发展

补口作为管道防腐系统工程的关键环节，大致可细分为以下几个阶段：

1.1 沥青基材料补口

20世纪70年代以前，管道补口主要采用沥青基防腐材料，补口形式包括：现场热浇涂石油沥青（或煤焦油瓷漆）加缠玻璃布，薄涂多层的沥青热浇涂补口（国内应用较广，国外很早被淘汰）；现场进行加热操作，同时缠绕浸涂过石油沥青（或煤焦油瓷漆）的玻璃纤维毡缠带的热浇沥青缠带补口（国外有一定应用，国内无规模化应用）；现场直接涂装环氧煤沥青漆，加缠玻璃布，薄涂多层的冷涂环氧煤沥青补口等。此类材料由于在生产及使用过程中对环境缺乏友好性，近年来已基本退出了管道补口领域[3]。

1.2 熔结环氧粉末补口

20世纪70年代，美国阿拉斯加管道的建设，使熔结环氧粉末（FBE）成为这一阶段最成功的防腐层，FBE补口技术也随之发展。FBE补口的涂装与其管体防腐层的厂内预制基本相同，即现场对待补口区域进行喷砂除锈，再静电加热喷涂环氧粉末；因地形等原因不能进行热喷涂的场合，可使用液态环氧涂料进行现场涂刷补口，但此方法得到的补口防腐层比热喷涂环氧粉末得到的FBE性能降低很多。为了弥补FBE在使用温度和抗机械损伤方面的不足，双层熔结环氧粉末（DFBE）防腐层得到快速发展，与之相匹配的DFBE补口技术也得到广泛应用。目前，在北美地区的管道建设中，FBE防腐层及其补口技术仍占主导地位[4]。

1.3 热塑性防腐材料补口

20世纪90年代起，依托塑料工业的发展并结合FBE的应用优势，三层聚乙烯（3PE）结构在欧洲地区成为了管道防腐层的主要形式，防腐进入热塑性材料时代。我国从陕京线开始引进3PE防腐层并取得良好效果，在2002年以后的新建大型及重要管道工程中，几乎均首选3PE防腐层，这些管道工程的补口大多采用“环氧底漆+热收缩带”三层复合结构[5]。此类补口操作是在现场先将待补口区域钢管表面处理至规定等级，并将搭接处的管体PE层进行毛化处理，预热补口区域后涂刷配套环氧底漆，底漆涂刷完成后采用烘烤的方式将热收缩带固定在补口区域完成安装。

1.4 其他类型材料补口

近年来，一些性能优良的补口形式在管道建设中实现了不同规模的应用，例如：能够有效弥补热收缩材料在低温施工方面不足并能与管体防腐层良好匹配的液体聚氨酯补口；施工过程无需加热、操作方便且与多种管体防腐层兼容的聚乙烯（聚丙烯）冷缠胶黏带补口；耐水气密闭性良好且具备较强自愈性的“黏弹体+外护带”补口；以及喷涂聚脲弹性体材料补口、聚合物网络涂层补口、无机陶瓷非金属材料补口等[6-8]。

2 管道外防腐补口技术的现状

管道补口随着管体防腐技术的持续进步而发展创新，在性能优良的传统补口不断完善的同时，新型多元化的补口也得到了推广和应用，以下选取具有代表性的几类分别介绍。

2.1 聚烯烃热收缩材料补口

上世纪中后期，高分子交联技术的发展成就了聚烯烃热收缩材料，目前常见的是聚乙烯类和聚丙烯类。其中，聚乙烯类热收缩材料根据基材的差异可细分为普通聚乙烯类、高密度聚乙烯类、纤维增强聚乙烯类等；根据胶黏剂的不同可细分为玛蹄脂胶型、压敏胶型、热熔胶型，前两种类型一般无需底漆配套使用，其余类型一般均会配套底漆。凭借与主流3PE防腐层高度一致的结构特性，“环氧底漆+辐射交联聚乙烯热收缩带”三层复合结构是目前管道建设中应用范围最广、补口数量最多的补口形式；聚丙烯类热收缩材料则凭借其良好的耐热、耐化学、抗机械损伤等性能，在海洋管道等极端施工条件和运行工况的环境中得到了一定应用[9]。

作为目前最主流的补口形式，热收缩带补口具有综合性能优异、与管体防腐层深度兼容、抗阴极剥离性能强、补口施工操作灵活等优点。但此类补口在应用中亦出现了一些问题，主要表现在：①热收缩带与管体搭接防腐层及补口区钢管表面粘结不良，剥离脱落造成防护失效；②底漆加热快速固化产生较大内应力造成其与钢管附着力下降；③防腐层发生损伤或剥离时可能发生阴极电流屏蔽现象，影响阴极保护效率；④人工火焰烘烤安装方式受现场环境和工人素质影响较大，无法保证质量。针对这些问题，相关从业者从热收缩材料配套胶黏剂、环氧底漆等材料改进，以及补口专用机具的现场应用方面进行了系列研究，使相关问题得到改善[10-11]。

2.2 液体涂料补口

液体涂料补口主要包括液体聚氨酯补口和液体环氧补口两种形式。

2.2.1 液体聚氨酯补口

液体聚氨酯补口的材料为由多元醇化合物和异氰酸酯（或其预聚物）组成的双组份涂料，一般不含挥发性溶剂，根据涂装操作的不同分为喷涂型和刷涂型，目前采用较多的是无气喷涂和机械自动喷涂的作业方式，可在较低温度下施工，可一次成膜至期望厚度。

液体聚氨酯补口防腐层具有良好的抗机械损伤性、持久的化学稳定性、牢固的粘结能力，无阴极屏蔽现象，在使用中能与3PE防腐层良好兼容，被认为是极有应用潜力的补口形式。近年来聚氨酯补口的发展极为迅猛，累计补口数量已经超过了200万个，主要应用于欧洲、非洲、中东及俄罗斯的管道建设，我国在西二线轮南-吐鲁番支干线上进行了实践，在西三线工程中实现了规模化应用[12]。目前，该补口形式的主要问题是原材料及工程费用偏高，且对专用设备的依赖程度较高。

2.2.2 液体环氧补口

液体环氧补口材料是以低分子量改性液态环氧树脂为主要成膜成分的液态环氧涂料，通过活性稀释增韧剂的添加实现无溶剂化并提升柔韧性，属于快速固化双组份涂料。这类涂料可在常温下进行手工刷涂或机械喷涂且无需对钢管进行加热操作，施工过程环保、安全、经济，环境适用性强。

液体环氧补口防腐层具有涂装简单、修补容易、材料价格低、可流水作业、无阴极屏蔽等优点；缺点在于环氧涂料与塑料类防腐层表面的粘结牢固性无法保证，易出现脱落现象，该性能有待加强。在应用方面，国外的阿塞拜疆和格鲁吉亚管道工程是世界上首次大规模使用液体环氧补口的案例，我国在广东LNG管道工程中亦采用了此类补口形式[13]。

2.3 环氧粉末补口

熔结环氧粉末补口是管道的首选补口形式，此类补口操作就是将FBE的工厂预制作业线搬到了管道建设现场，用相同的工艺对补口区域进行环氧粉末喷涂，根据成膜时喷涂次数的不同可分为单层熔结环氧粉末（FBE）和双层熔结环氧粉末（DFBE）。这类防腐层的优点是粉末熔结充分，具有较好的粘结力，能够与管体防腐层良好兼容；缺点是对现场喷涂条件和施工环境要求极为苛刻，对专用机具和工艺控制要求严格，施工影响因素较多。该技术在北美地区的管道中应用较多，国内仅在部分河流穿跨越管段有所使用。

随着近年来国外在FBE现场喷涂技术方面的研究进展，补口FBE与管体防腐层的兼容性和一致性得到加强，提高了FBE补口效率的同时也扩展了其应用领域，陆续出现了“FBE+改性PE”、“FBE+复合PP”、“FBE+喷涂粉末胶黏剂+火焰喷涂PP”等复合结构的补口形式，并在中东水下油气管道、西欧北海深水天然气项目等深水管道建设中进行了工程实践，使得“FBE+改性/复合聚烯烃”结构成为我国深水油气管道补口的一个重要发展方向[14-15]。

2.4 黏弹体胶黏带补口

黏弹体是一类具有冷流特性且永不固化的高分子聚合物，其对应力的响应兼具弹性固体和黏性流体的双重特性，将其复合在聚乙烯等基膜上即制成黏弹体胶黏带，外加PVC胶带、热收缩带、玻璃钢等外护层可制成多种类型的黏弹体补口结构。

黏弹体的冷流特性使其能够在补口区域实现良好的全覆盖粘结，有效阻断水汽和空气的侵入，实现良好的水密性和气密性；黏弹体具有良好的抗蠕变性能，能充分适应管道的敷设方式，在防腐层受到冲击、划伤等破坏时具有优异的自愈性；黏弹体进行补口时，对钢管表面处理要求不高，手工除锈后即可进行缠绕、保护等操作。此类补口的缺点在于不适用于较高温度，黏弹体对被粘面的粘结力值很低，且自身的机械强度也较低，必须采用合适的外护提升其整体性能。黏弹体在场站管、弯头、法兰等异形管件防腐和在役管道修复中应用较多；新建管道补口方面，唐山LNG、西气东输、川气东送等工程均有大量应用[16]。

3 管道外防腐补口技术的趋势

根据近年来管道建设运行的经验和防腐技术的发展，管道外防腐补口技术在未来的发展趋势主要包括以下几个方面。

3.1 改进优化现有补口技术

目前国际上管道防腐层的主流发展趋势是对现有防腐结构（主要是3PE、DFBE）的持续改进，同时对施工工艺进行不断优化，补口技术的发展亦该顺应此趋势。例如，在材料改进方面，对热收缩材料热熔胶进行改性，在保证其粘结能力的前提下，增加其流动性以提升施工性能；对配套底漆进行改性，提升其对钢管防腐性能的同时强化其与热收缩材料的粘结性能；对FBE表面进行改性制成粗糙防腐层，有效预防敷设、吊装、穿越等环节中发生损伤。另一方面，各种补口形式都在推进机械化施工，如移动式中频加热机、LPG催化燃烧红外补口加热机、环保型自动喷砂除锈设备、高压无气聚氨酯自动喷涂机等专用补口机具的研发、推广和应用将有利于减少人为不确定性对补口质量的影响，保证补口质量的稳定[17-18]。

3.2 研发新型补口材料

在倡导绿色发展的当下，相关材料的研发要综合考虑环保、技术、经济等各方面因素。例如：液体聚氨酯和液体环氧在补口领域的应用趋势促进着液体补口材料的发展，相关研发和应用从环境、性能、施工等方面均须符合要求；陶瓷涂层、搪瓷涂层、玻璃涂层等凭借其耐热、抗寒、抗老化、年限久等优点使无机防腐涂层得到了业内的关注[19]，也促进了防腐层选材从有机高分子向无机化合物领域的扩展；针对低温施工的需求，采用氨基化合物与异氰酸酯，以高压喷涂的方式形成弹性聚脲涂层，具有良好理化性能，如能提升碱性环境下的抗阴极剥离性，该涂层将有良好应用前景；聚合物互穿网络涂层（PNC）中的聚烯烃和环氧树脂协同作用使其不需要胶黏剂就能实现对粘结表面的优异附着，使现场补口与预制管体防腐层形成完整密闭。

3.3 补口质量控制统一规范化

目前我国尚没有综合性的补口国家标准或行业标准，补口的质量检验依据主要是来源于相应管体防腐层标准中的相关要求，部分补口形式甚至缺乏相应的检验指标、要求和方法，这种情况导致相关项目在进行补口形式选择时设计方案极为有限，缺乏灵活性且难以实现有效的质量控制[20]；国外虽然也有关于管道补口的技术规范[21-23]，但由于标准体系的不同，大多比较注重补口整体性能而对材料关注不足，存在系统性评价缺乏、源头质控困难、适用范围较窄等问题，难以有效对我国的工程实践进行指导。因此，借鉴国际综合性补口标准的最新成果和先进经验，结合国内管道建设的现状和特点，我国正在进行综合性管道补口标准的编制，从补口材料类型和结构、补口选用依据、涂覆工艺评定、质量检验等方面做出明确规定，实现对补口的系统化质量控制。

4 结束语

随着科技和工业的进步，管道外防腐补口技术不断发展和创新，各类补口材料和结构都同时兼具明显优缺点，并限定了适用范围。因此，在选择补口材料和技术方式时应进行详尽的管道腐蚀环境调查，充分考虑补口的施工条件和应用环境，以及其与管体防腐层的相容性；同时，因为补口防腐层要满足现场涂装施工的应用要求，故在材料的研发、结构的设计、性能的检验、质量的控制等方面均应对相关补口形式的现场施工性能予以关注并明确要求，从而为补口质量的全面提升提供保障。

[1]古小平，龙东，邱永波，等．油气管道补口技术综述[J]．腐蚀与防护，2009，30（4）：261-264．

[2]沈光霁，陈洪源，薛致远，等．管道涂层应用现状分析[J]．腐蚀科学与防护技术，2013，25（3）：246-249．

[3]万德立，朱殿瑞，董家梅．石油管道、储罐的腐蚀及其防护技术[M]．北京：石油工业出版社，1999：326．

[4]胡士信，董旭.我国管道防腐层技术现状[J].油气储运，2004，23（7）：4-8．

[5]那骥宇，韩冰，刘金霞，等．管道补口用环氧底漆阴极剥离影响因素的正交分析[J]．天津科技，2013（5）：42-47．

[6]UEBELHOER Dirk．Repairing polyurea coating[J]．Journal of Protective Coating and Linings，2013，30（8）：8-10．

[7]MEGHAN Mallozzi，MARIO Perez．A new three-layer polypropylene offshore field-joint coating[J]．NACE International，2010，49（10）：36-41．

[8]吴志宏．防腐材料和补口技术的现状及应用发展分析[J]．中国科技纵横，2015（1）：186．

[9]吕喜军，相政乐，刘海超，等．3LPP防腐层在海底管道的应用研究[J]．石油工程建设，2010，36（6）：15-19．

[10]冯少广，罗京新，赵吉诗，等．热熔胶粘剂结构差异对热收缩带剥离强度的影响[J]．油气储运，2013，32（2）：177-180．

[11]龙斌，吕喜军，唐德渝，等．环保型全自动管道喷砂除锈机的研制及应用[J]．石油工程建设，2011，37（6）：36-38．

[12]许玉东，温和民，朱丽娜，等．长输管道防腐补口新技术研究与应用[J]．新疆石油科技，2013，23（3）：59-60．

[13]任立元，史航．聚乙烯外防腐管线液体环氧补口技术的应用[J]．材料保护，2007，40（1）：62-64．

[14]ZHAO Nan，LIU Song.Therm oplastic sem i-IPN of polypropy lene（PP）and po lym eric N-halam ine for efficient and durable antibacterial activity[J]．European Polym er Journal，2011，47（8）：1 654-1 663．

[15]赵利，武占文，相政乐，等．海底管道节点防腐涂层结构发展概况[J]．石油工程建设，2016，42（1）：7-9．

[16]李俊中．在役埋地管道3PE防腐层补口与补伤选材[J]．腐蚀与防护，2014，35（2）：65-67．

[17]廖煜照，王杰，李建军，等．聚乙烯热收缩带补口施工工艺应用现状和发展趋势[J]．腐蚀与防护，2014，35（6）：602-606．

[18]王长江，冯存栋，曾惠林，等．油气长输管道机械化补口工作站[J]．石油科技论坛，2015（B10）：127-129．

[19]张勇．无机非金属材料在管道防腐中的应用研究[J]．江西建材，2013（5）：17-18．

[20]赵常英，张志贵，贾平军，等.粘弹体在埋地管道补口应用中遇到的问题及其解决方案[J].石油工程建设，2013，39（5）：43-46．

[21]ISO 21809-3：2016，Petroleum and natural gas industries-External coatings for buried or subm erged pipelines used in pipeline transportation system s-Part3：Field jointcoatings[S].

[22]DIN 30672：2000，Tapes and shrinkable m aterials for the corrosion protection of buried or underw ater pipelines w ithout cathodic protection for use at operating tem peratures up to 50℃[S].

[23]NACE RP0303-2003，Standard recomm ended practice-Field-applied heat-shrinkable sleeves for pipelines：application，perform ance，and quality control[S].

Discussion on development offield joint coatings for pipelines

NAJiyu，HELIAN Jianfeng，LIAigui，LIU Jinxia，XU Cuizhu，KONG Xiangang
CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

As a key node but also as a weakness for corrosion control systems of pipelines，the technology of field joint coatings is developed along with the progress of pipeline anticorrosion technology.In the meantime，the requirements of field constructions are satisfied.In this paper，the past history，the present situation and future trends of the technology of field joint coatings are introduced separately.Some useful proposals for material and technique selection are given，which involve detailed pipeline corrosion environment investigation，sufficient consideration on construction conditions，application environment and compatibility between field joint coating layer and anticorrosion layer of pipeline；paying close attention to field construction performance of related joint coating form with respect to material research and development，structuraldesign，performance inspection and quality control，and giving corresponding definite requirements.

field joint coating；heat-shrinkable material；liquid polyurethane；liquid epoxy；viscoelastic material

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.001

那骥宇（1986-），男，云南大理人，工程师，2012年毕业于天津理工大学应用化学专业，硕士，现从事防腐保温产品的检测研究和质量控制工作。Em ail：najiyu@cnpc.com.cn

2016-12-10；

2017-01-04